Πώς να χρησιμοποιήσετε PCB για απαγωγή θερμότητας πακέτου IC;

Η πρώτη πτυχή του σχεδιασμού PCB που μπορεί να βελτιώσει τη θερμική απόδοση είναι η διάταξη της συσκευής PCB. Όποτε είναι δυνατόν, τα εξαρτήματα υψηλής ισχύος στο PCB θα πρέπει να διαχωρίζονται το ένα από το άλλο. Αυτός ο φυσικός διαχωρισμός μεταξύ εξαρτημάτων υψηλής ισχύος μεγιστοποιεί την περιοχή PCB γύρω από κάθε εξάρτημα υψηλής ισχύος, συμβάλλοντας έτσι στην επίτευξη καλύτερης αγωγιμότητας της θερμότητας. Πρέπει να δίνεται προσοχή στην απομόνωση των ευαίσθητων στη θερμοκρασία εξαρτημάτων του PCB από εξαρτήματα υψηλής ισχύος. Όποτε είναι δυνατόν, η θέση εγκατάστασης των εξαρτημάτων υψηλής ισχύος πρέπει να είναι μακριά από τις γωνίες του PCB. Μια πιο κεντρική θέση PCB μπορεί να μεγιστοποιήσει την περιοχή της πλακέτας γύρω από εξαρτήματα υψηλής ισχύος, συμβάλλοντας έτσι στη διάχυση της θερμότητας. Το Σχήμα 2 δείχνει δύο πανομοιότυπες συσκευές ημιαγωγών: το εξάρτημα Α και το εξάρτημα Β. Το εξάρτημα Α βρίσκεται στη γωνία του PCB και έχει θερμοκρασία σύνδεσης μήτρας που είναι 5% υψηλότερη από το εξάρτημα Β επειδή το εξάρτημα Β βρίσκεται πιο κοντά στη μέση. Δεδομένου ότι η περιοχή της πλακέτας γύρω από το εξάρτημα για την απαγωγή θερμότητας είναι μικρότερη, η απαγωγή θερμότητας στη γωνία του στοιχείου Α είναι περιορισμένη.

Πώς να χρησιμοποιήσετε το PCB για την απαγωγή θερμότητας του πακέτου IC;

Η δεύτερη πτυχή είναι η δομή του PCB, η οποία έχει την πιο καθοριστική επίδραση στη θερμική απόδοση του σχεδιασμού του PCB. Η γενική αρχή είναι: όσο περισσότερος χαλκός στο PCB, τόσο υψηλότερη είναι η θερμική απόδοση των εξαρτημάτων του συστήματος. Η ιδανική κατάσταση απαγωγής θερμότητας για συσκευές ημιαγωγών είναι ότι το τσιπ είναι τοποθετημένο σε ένα μεγάλο κομμάτι υγρόψυκτου χαλκού. Για τις περισσότερες εφαρμογές, αυτή η μέθοδος τοποθέτησης δεν είναι πρακτική, επομένως μπορούμε μόνο να κάνουμε κάποιες άλλες αλλαγές στο PCB για να βελτιώσουμε την απόδοση απαγωγής θερμότητας. Για τις περισσότερες εφαρμογές σήμερα, ο συνολικός όγκος του συστήματος συνεχίζει να συρρικνώνεται, γεγονός που έχει δυσμενή επίδραση στην απόδοση απαγωγής θερμότητας. Όσο μεγαλύτερο είναι το PCB, τόσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά θερμότητας και έχει επίσης μεγαλύτερη ευελιξία, επιτρέποντας αρκετό χώρο μεταξύ των εξαρτημάτων υψηλής ισχύος.

Όποτε είναι δυνατόν, μεγιστοποιήστε τον αριθμό και το πάχος των επιπέδων γείωσης από χαλκό PCB. Το βάρος του χαλκού του στρώματος εδάφους είναι γενικά σχετικά μεγάλο και είναι μια εξαιρετική θερμική διαδρομή για ολόκληρο το PCB για να διαχέει τη θερμότητα. Η διάταξη της καλωδίωσης για κάθε στρώμα θα αυξήσει επίσης τη συνολική αναλογία χαλκού που χρησιμοποιείται για τη μεταφορά θερμότητας. Ωστόσο, αυτή η καλωδίωση είναι συνήθως ηλεκτρικά και θερμικά απομονωμένη, γεγονός που περιορίζει τον ρόλο της ως στρώμα πιθανής διάχυσης θερμότητας. Η καλωδίωση του επιπέδου γείωσης της συσκευής θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο ηλεκτρική με πολλά επίπεδα γείωσης, έτσι ώστε να βοηθά στη μεγιστοποίηση της αγωγιμότητας της θερμότητας. Οι διόδους απαγωγής θερμότητας στο PCB κάτω από τη συσκευή ημιαγωγών βοηθούν τη θερμότητα να εισέλθει στα θαμμένα στρώματα του PCB και να μεταφερθεί στο πίσω μέρος της πλακέτας κυκλώματος.

Για να βελτιωθεί η απόδοση της απαγωγής θερμότητας, το επάνω και το κάτω στρώμα του PCB είναι «χρυσές θέσεις». Χρησιμοποιήστε ευρύτερα καλώδια και δρομολογήστε τα μακριά από συσκευές υψηλής ισχύος για να παράσχετε μια θερμική διαδρομή για την απαγωγή θερμότητας. Η ειδική θερμική πλακέτα είναι μια εξαιρετική μέθοδος για την απαγωγή θερμότητας PCB. Η θερμική πλακέτα βρίσκεται γενικά στο επάνω ή στο πίσω μέρος του PCB και συνδέεται θερμικά με τη συσκευή μέσω απευθείας χάλκινων συνδέσεων ή θερμικών αγωγών. Στην περίπτωση της εσωτερικής συσκευασίας (πακέτα με καλώδια και στις δύο πλευρές), αυτού του είδους η πλακέτα αγωγιμότητας θερμότητας μπορεί να βρίσκεται στο επάνω μέρος του PCB και να έχει σχήμα “κόκαλο σκύλου” (η μέση είναι τόσο στενή όσο η συσκευασία και η περιοχή μακριά από τη συσκευασία είναι σχετικά μικρή.Μεγάλη, μικρή στη μέση και μεγάλη στα άκρα). Στην περίπτωση συσκευασίας τεσσάρων πλευρών (υπάρχουν καλώδια και στις τέσσερις πλευρές), η θερμοαγώγιμη πλάκα πρέπει να βρίσκεται στο πίσω μέρος του PCB ή να εισέλθει στο PCB.

Πώς να χρησιμοποιήσετε το PCB για την απαγωγή θερμότητας του πακέτου IC;

Η αύξηση του μεγέθους της θερμικής πλακέτας είναι ένας εξαιρετικός τρόπος βελτίωσης της θερμικής απόδοσης του πακέτου PowerPAD. Τα διαφορετικά μεγέθη πλάκας αγωγιμότητας θερμότητας έχουν μεγάλη επίδραση στη θερμική απόδοση. Το φύλλο δεδομένων προϊόντος που παρέχεται με τη μορφή πίνακα παραθέτει γενικά αυτές τις πληροφορίες μεγέθους. Ωστόσο, είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθεί ο αντίκτυπος της προσθήκης χαλκού των προσαρμοσμένων PCB. Χρησιμοποιώντας ορισμένες ηλεκτρονικές αριθμομηχανές, οι χρήστες μπορούν να επιλέξουν μια συσκευή και στη συνέχεια να αλλάξουν το μέγεθος του χάλκινου μαξιλαριού για να εκτιμήσουν τον αντίκτυπό του στην απόδοση απαγωγής θερμότητας PCB εκτός JEDEC. Αυτά τα εργαλεία υπολογισμού υπογραμμίζουν την επίδραση του σχεδιασμού PCB στη θερμική απόδοση. Για μια συσκευασία τεσσάρων πλευρών, η περιοχή του επάνω μαξιλαριού είναι μόλις μικρότερη από την περιοχή του εκτεθειμένου μαξιλαριού της συσκευής. Σε αυτή την περίπτωση, το θαμμένο ή το πίσω στρώμα είναι ο πρώτος τρόπος για να επιτευχθεί καλύτερη ψύξη. Για διπλές συσκευασίες σε σειρά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε στυλ μαξιλαριού “σκύλου από κόκαλο” για να διαχέουμε τη θερμότητα.

Τέλος, συστήματα με μεγαλύτερα PCB μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για ψύξη. Στην περίπτωση που οι βίδες συνδέονται με την πλάκα αγωγιμότητας της θερμότητας και το επίπεδο γείωσης για απαγωγή θερμότητας, ορισμένες βίδες που χρησιμοποιούνται για την τοποθέτηση του PCB μπορούν επίσης να γίνουν αποτελεσματικές διαδρομές θερμότητας προς τη βάση του συστήματος. Λαμβάνοντας υπόψη το φαινόμενο της θερμικής αγωγιμότητας και το κόστος, ο αριθμός των βιδών πρέπει να είναι η μέγιστη τιμή που φτάνει στο σημείο φθίνουσας απόδοσης. Αφού συνδεθεί με τη θερμοαγώγιμη πλάκα, η μεταλλική πλάκα ενίσχυσης PCB έχει μεγαλύτερη περιοχή ψύξης. Για ορισμένες εφαρμογές όπου το PCB καλύπτεται με κέλυφος, το υλικό επισκευής συγκόλλησης ελεγχόμενου τύπου έχει υψηλότερη θερμική απόδοση από το αερόψυκτο κέλυφος. Οι λύσεις ψύξης, όπως οι ανεμιστήρες και οι ψύκτρες, είναι επίσης κοινές μέθοδοι για την ψύξη του συστήματος, αλλά συνήθως απαιτούν περισσότερο χώρο ή χρειάζονται τροποποίηση του σχεδιασμού για τη βελτιστοποίηση του εφέ ψύξης.

Για να σχεδιάσετε ένα σύστημα με υψηλότερη θερμική απόδοση, δεν αρκεί να επιλέξετε μια καλή συσκευή IC και κλειστή λύση. Η απόδοση απαγωγής θερμότητας του IC εξαρτάται από το PCB και την ικανότητα του συστήματος απαγωγής θερμότητας να ψύχει γρήγορα τις συσκευές IC. Χρησιμοποιώντας την παραπάνω μέθοδο παθητικής ψύξης, η απόδοση απαγωγής θερμότητας του συστήματος μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά.